用于视场拼接的折返式光学系统的制作方法

本发明涉及用于遥感探测技术领域，具体来说是一种用于视场拼接的折返式光学系统。

背景技术：

随着遥感卫星应用技术的发展，大视场、高分辨率空间相机已经成为发展趋势，目前遥感探测设备中较多采用的大视场图像采集方式为：使用大口径红外光窗进行红外辐射探测；使用大尺寸图像传感器进行图像接收；使用机械拼接的视场拼接方法，即采用机械装置在像面上将多片图像传感器紧密的排列起来。

目前的大视场遥感卫星相机基本均采用上述方案获得高分辨率的大视场图像。其中，机械拼接的优点在于采用机械拼接的相机的光学系统相对比较简单，易于实现。

但是，现有的遥感探测技术也同时存在一些明显的缺点，具体表现为以下几点：

1、受加工工艺及成本的限制，大口径红外光窗不可能做的太大，即每次探测的红外辐射量有限；

2、受到工艺的限制图像传感器的尺寸不可能做得很大，即单次接收的图像分辨率有限；前两点限制导致现有高分辨率的大视场图像必须通过拼接方式实现；

3、但是，当前的机械拼接方式也存在诸多问题，最典型地如成像质量难以控制，经常存在拼接缝的瑕疵；另外机械拼接装置的造价也通常较为昂贵。

技术实现要素：

针对现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何实现便捷而高质量的大视场图像拼接。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于视场拼接的折返式光学系统，所述光学系统包括：

柱形拼接光窗、扫描平面反射镜、环形平面反射镜、凹面主反射镜、菱形棱镜和转像镜组；其中，

所述环形平面反射镜的中心设有通孔，进入所述柱形拼接光窗的光线依次经过所述扫描平面反射镜、所述环形平面反射镜和所述凹面主反射镜的三次反射形成折返光，所述折返光通过所述通孔在所述菱形棱镜处成像，所述菱形棱镜对成像进行视场分割并送入所述转像镜组进行图像接收。

进一步地，所述光学系统中：

所述扫描平面反射镜布置在所述柱形拼接光窗的内部，与进入所述柱形拼接光窗的光线呈45度角；

所述环形平面反射镜与所述扫描平面反射镜垂直，且两平面反射镜的面心连线与初次反射光平行；

所述凹面主反射镜的中心轴通过所述环形平面反射镜的面心且与两平面反射镜的面心连线垂直。

进一步地，所述系统中：

所述转像镜组的入光口接收视场分割后的成像，出光口连接红外探测器。

进一步地，所述系统中：

所述转像镜组有多个。

进一步地，所述转像镜组的个数与所述菱形棱镜实现的视场分割数相同。

进一步地，多个所述转像镜组分别接收所述视场分割后的每个成像再进行图像拼接。

进一步地，所述转像镜组包括像差校正镜组和光束变换镜组。

进一步地，所述转像镜组由多个透镜组成。

进一步地，所述凹面主反射镜为一球面反射镜。

进一步地，所述菱形棱镜布置在一次像面处。

本发明提供了一种用于视场拼接的折返式光学系统，其解决了如下问题：

1、使用拼接光窗满足系统进行远距离、全方位的快速搜索，并解决了超大口径光窗不易加工的困难；

2、使用多块像传感器接收，再将图像传感器接收到的图像进行拼接就可以得到大视场的图像，解决了受传感器的尺寸工艺限制的问题；

3、再次使用棱镜进行视场分割，将视场分割到不同的空间位置，用多块像传感器接收，再将图像传感器接收到的图像进行拼接，解决了拼接缝、造价昂贵的问题。

附图说明

图1为本发明的一个实施例中用于视场拼接的折返式光学系统结构示意图；

图2为本发明中用于视场拼接的折返式光学系统的调制传递函数曲线示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例为实施本发明的较佳实施方式，所述描述是以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围应当以权利要求所界定者为准，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种用于视场拼接的折返式光学系统，可以实现远距离、大视场、全方位的快速跟踪搜索。具体地，参见图1，在本发明的一个实施例中，用于视场拼接的折返式光学系统包括：柱形拼接光窗1、扫描平面反射镜2、环形平面反射镜3、凹面主反射镜4、菱形棱镜5和转像镜组6；其中，环形平面反射镜3的中心设有通孔，进入柱形拼接光窗1的光线(红外辐射)依次经过扫描平面反射镜2、环形平面反射镜3和凹面主反射镜4的三次反射形成折返光，折返光通过该通孔在菱形棱镜5处成像，菱形棱镜5对成像进行视场分割并分别送入转像镜组6完成图像接收和拼接。

其中，图1中的柱形拼接光窗1通过多片柱形平板窗口拼接而成，解决了超大口径光学窗口材料昂贵，不易加工等问题。通过拼接的方法获得了超大口径光窗，并整体旋转柱形拼接光窗1以从各个方位获得尽可能多的红外辐射，以实现红外探测领域中远距离、全方位搜索等技术难题。作为本领域相关技术人员也可以理解，选择其他可控成本且尽量大口径的光窗也可以实现同样的目的，因此这里同样可以选择其他的形状的拼接光窗，在这里柱形拼接光窗1不作为本发明的限制。

扫描平面反射镜2布置在柱形拼接光窗1的内部，与入射的红外辐射呈45度角。入射的红外辐射经扫描平面反射镜2反射光轴折叠90度，同时实现大范围光轴粗指向。环形平面反射镜3与扫描平面反射镜2垂直，且两平面反射镜的面心连线与初次反射光平行。粗指向的光(初次反射光)再经过环形平面反射镜3的反射，光轴再次进行90度折叠。凹面主反射镜4的中心轴通过环形平面反射镜3的面心且与两平面反射镜的面心连线垂直。经两次反射的光再经凹面主反射镜4第三次反射，光轴再次180度折叠，同时缩小了光束截面，使光线开始会聚。凹面主反射镜4为一球面反射镜，保证在一次像面上任一点的球差相同。

更进一步地，环形平面反射镜3的中心设置有一通孔，三次反射后的会聚光通过该通孔开始成像。菱形棱镜5布置在一次像面处，即凹面主反射镜的焦平面，距离凹面主反射镜的顶点R/2，R为凹面主反射镜的曲率半径。菱形棱镜5对成像进行视场分割(比如可将光路分成对称的两路)，同时实现光轴的横向移动，移动后的光轴方向不发生改变。

转像镜组6由多个透镜组成，转像镜组6的入光口接收视场分割后的成像，出光口连接红外探测器(图像传感器)获得图像。为实现得到大视场的图像，解决受传感器尺寸工艺限制的问题，首先运用菱形棱镜5对视场进行分割，分割到不同的位置，然后使用多个转像镜组6分别送入多块图像传感器接收，再将多块图像传感器接收到的图像进行拼接。

其中，转像镜组6进一步包括像差校正镜组和光束变换镜组，像差校正镜组对二次成像位置进行调整以校正像差，光束变换镜组实现光瞳匹配。作为本领域相关技术人员可以理解，此处可以采用不同的透镜的组合来组成转像镜组，在这里不作为对本发明的限制。

相应地，采用上述折返式光学系统的一次完整的图像获取过程为：

①红外辐射经柱形拼接光窗1进行大视场、远距离、全方位的快速搜索；

②入射红外辐射经扫描平面反射镜2的反射，实现大范围光轴粗指向；

③初次反射光经固定环形平面反射镜3二次反射，光轴再进行90度折叠；

④二次反射光经凹面主反射镜4反射并缩小光束截面，光轴180度折叠，随后经环形平面反射镜3中心设置的通孔成像，到达设置在一次像面处的菱形棱镜处5；

⑤在一次像面处用菱形棱镜5进行视场分割，同时实现光轴的横向移动，移动后的光轴方向不发生改变；

⑥转像镜组6进行像差校正光瞳匹配，到达探测器焦平面。

为实现得到大视场的图像，解决受传感器尺寸工艺限制的问题，首先运用菱形棱镜5对视场进行分割，分割到不同的位置，然后使用多块传感器接收，再将图像传感器接收到的图像进行拼接。

图2为本发明光学系统实施例的光学调制传递函数曲线图。调制传递函数表示调制度与图像内每毫米线对数之间的关系，是所有光学系统性能判断中最全面的判据，特别是对于成像系统。在红外光学系统中，一般要求系统在奈奎斯特空间频率处的调制传递函数值≥0.3或0.4，以红外探测器象元大小25um为例，则系统能分辨的最大空间频率为：20lp/mm。从图中可以看出，在空间频率20lp/mm处，系统在全视场范围内的调制传递函数值大于0.45，表明光学系统成像质量良好，符合光学仪器的运用标准，即本光学系统设计合理，可以在实践中运用。

本发明供了一种用于视场拼接的折返式光学系统，用以解决大视场、远距离、全方位的快速搜索、系统的紧凑性兼顾的问题，首先使用柱形拼接光窗满足系统进行远距离、全方位的搜索，并解决了超大口径光学光窗不易加工的困难，其次，凹面主反射镜与环形平面反射镜重合，保证了像面进行光学分割的条件，再次菱形棱镜分割视场同时实现光轴的横向移动，移动后的光轴方向不发生改变，避免了分割后的光路旋转和固定反射镜的干涉问题，可广泛应用于红外预警平台。

虽然以上结合优选实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员应该理解，本发明所述的方法和系统并不限于具体实施方式中所述的实施例，在不背离由所附权利要求书限定的本发明精神和范围的情况下，可对本发明作出各种修改、增加、以及替换。